《Intelligent Medicine》：Development of an innovative in-situ solid-state fermentation system based on endophytic fungi and agrifood by-products pigeon pea roots to enhance genistein production
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Jin-Xian Fu|Mo-Nan Wen|Jiao Jiao|Qing-Yan Gai|Yu-Jie Fu|Dan Qu中国黑龙江省哈尔滨市东北林业大学，教育部森林植物生态学重点实验室，邮编150040摘要染料木黄酮在食品和营养品行业中被广泛使用。诸如鸽豆根之类的农业食品副产
Jin-Xian Fu|Mo-Nan Wen|Jiao Jiao|Qing-Yan Gai|Yu-Jie Fu|Dan Qu
中国黑龙江省哈尔滨市东北林业大学，教育部森林植物生态学重点实验室，邮编150040
摘要
染料木黄酮在食品和营养品行业中被广泛使用。诸如鸽豆根之类的农业食品副产品中含有染料木黄酮及其前体物质（苯丙氨酸、肉桂酸和
-香豆酸）。本研究利用内生真菌Penicillium flavigenum P-315与鸽豆根，开发了一种原位固态发酵系统，通过前体生物转化来提高染料木黄酮的产量。在优化条件下（加水量为4?mL/g，pH值为7，温度为30?°C，接种量为8盘/克，发酵时间为72小时），该系统使染料木黄酮的产量相比未经处理的鸽豆根提高了29.13倍（9506.69?±?494.52?μg/g DW），而未经处理的鸽豆根中染料木黄酮含量为326.37?±?50.47?μg/g DW。扫描电子显微镜观察显示，未经发酵的鸽豆根表面结构紧密且完整，而经过发酵的鸽豆根则呈现出疏松多孔的形态，细胞壁严重受损。研究结果表明，P. flavigenum P-315分泌出纤维素酶，分解鸽豆根的细胞壁，释放出碳水化合物、氨基酸和脂肪酸，为真菌的生长和代谢提供养分。代谢组学分析显示，P. flavigenum P-315会消耗鸽豆根中的氨基酸和脂肪酸。此外，在该固态发酵系统中，前体物质能够完全转化为染料木黄酮，从而实现高产量的染料木黄酮生产。同时，P. flavigenum P-315还能将鸽豆根中的其他黄酮苷转化为苷元。总体而言，本研究提出了一种创新的固态发酵系统，用于高效生产具有健康益处的染料木黄酮。
工业应用价值
内生真菌P. flavigenum P-315既能分解细胞壁，又能进行前体物质的生物转化，这一特性被用于开发基于鸽豆根的固态发酵系统，以提高染料木黄酮的产量。该系统还能将鸽豆根中的黄酮苷转化为苷元，显示出这项技术在农业食品副产品高值化利用方面的巨大潜力。此外，固态发酵系统也为食品和营养品行业中其他高价值天然产品的生产提供了可持续的技术平台。
引言
鸽豆 [
Cajanus cajan (L.) Millsp.]是一种在南亚、东非和拉丁美洲广泛种植的食用豆类（Jorrin等人，2021年）。鸽豆种子富含蛋白质、膳食纤维、维生素、必需矿物质以及多种生物活性化合物，因此营养价值极高（Abebe，2022年；Chowdhury等人，2024年）。除了可食用外，鸽豆叶还被用于传统草药中，用来治疗各种疾病，尤其是股骨头缺血性坏死（Dong等人，2025年；Kong等人，2010年）。然而，在食品和农业加工过程中，作为生产可食用种子和药用叶子的副产品的鸽豆根往往会被大量丢弃（Schütz等人，2022年）。实际上，农业食品副产品鸽豆根中含有一些生物活性黄酮类物质，如染料木素、染料木黄酮、 Orientin、维特克斯素、异维特克斯素、木犀草素、芹菜素、异鼠李素以及生物查宁A（Gai等人，2021年）。其中，染料木黄酮因其多种生物活性而被广泛用于功能性食品、药品和营养补充剂中，这些生物活性包括抗肿瘤、抗氧化、抗菌、抗炎、抗病毒以及抑制蛋白激酶的作用（Fu等人，2008年；Li等人，2024年；Wei等人，2013年；Zhang等人，2020年）。有研究表明，鸽豆根中的染料木素可以通过β-葡萄糖苷酶或能产生β-葡萄糖苷酶的微生物进行脱糖基反应，从而转化为染料木黄酮（He等人，2023年；Jin等人，2013年；Zhang等人，2013年）。尽管这些方法能够提高染料木黄酮的产量，但提升幅度仍然有限。而且，这些研究没有考虑到鸽豆根作为养分储存器官，还含有大量用于染料木黄酮生物合成的前体物质，如苯丙氨酸、肉桂酸和
-香豆酸（Wu等人，2013年）。因此，寻找一种有效的微生物催化剂，将这类前体物质转化为染料木黄酮，是提高从农业食品副产品鸽豆根中生产具有健康益处的染料木黄酮效率的一种有效策略。
内生真菌存在于活植物的内部组织中，几乎在所有已知的植物物种中都能找到（Bhunjun等人，2023年；Gupta等人，2020年）。在数亿年的共同进化过程中，它们形成了复杂的代谢网络，能够产生宿主特异的次生代谢产物（Dasila等人，2024年；Venugopalan & Srivastava，2015年）。在这方面，那些能够产生宿主特异化合物的内生真菌可能拥有参与其生物合成途径的完整酶系（Mishra等人，2021年）。这使它们成为将前体化合物转化为宿主特异代谢产物的理想微生物催化剂来源。值得一提的是，我们的研究小组此前已经从鸽豆中发现了九种能够产生染料木黄酮的内生真菌，包括
Penicillium chrysogenum L-152、
Penicillium polonicum R-461、
Penicillium flavigenum P-315、
Fusarium acutatum R-441、
Penicillium rubens L-150、
Penicillium vanluykii R-446、
Aspergillus tubingensis S-235、
Talaromyces neorugulosus R-209以及
S-238（Fu等人，2024年）。因此，这些真菌有望成为将染料木黄酮前体物质（如苯丙氨酸、肉桂酸和
-香豆酸）转化为鸽豆根中的染料木黄酮的生物催化剂。
固态发酵使得微生物能够在湿润的固体基质上直接生长和代谢，从而用于生产酱油、天贝、醋、米酒以及各种生物活性化合物（Dulf等人，2020年；Lee等人，2024年；Zhou等人，2025年）。与液体发酵相比，固态发酵具有成本低、易于大规模生产以及操作简单等优点，为微生物发酵领域开辟了新的发展方向（Abdel-Mageed等人，2021年；Du等人，2025年；Zhou等人，2025年）。尤其值得注意的是，利用宿主植物基质进行发酵更接近于内生真菌的自然生态环境，从而提升了它们在产生或转化宿主特异代谢产物方面的稳定性、效率以及适应性（Premalatha等人，2022年；Xia等人，2017年）。此外，内生真菌与宿主植物基质之间的生化兼容性也有助于提高代谢效率、营养物质的可利用性以及酶催化作用（Erismann等人，2025年）。因此，本研究提出了基于内生真菌及其宿主植物基质（鸽豆根）的原位固态发酵策略，旨在高效生产具有健康益处的染料木黄酮。
在本研究中，我们比较了由能产生染料木黄酮的内生真菌和鸽豆根组成的固态发酵系统的染料木黄酮产出情况，目的是筛选出最优的真菌菌株。随后，我们针对最优菌株进一步系统地优化了固态发酵系统的关键参数。此外，我们还观察了经发酵和未经发酵的鸽豆根的表面形态，并在发酵前后测定了鸽豆根的干物质含量和纤维素含量，以评估其消化率。另外，我们还通过代谢组学手段研究了最优菌株在发酵过程中的代谢机制。这项工作为利用内生真菌高效生产染料木黄酮提供了一种新的发酵策略，同时也为农业食品副产品（鸽豆根）的高值化利用提供了参考。
在之前的研究中，我们从鸽豆中分离并鉴定出了多种内生真菌（P. chrysogenum L-152、P. polonicum R-461、P. flavigenum P-315、F. acutatum R-441、P. rubens L-150、P. vanluykii R-446、A. tubingensis S-235、T. neorugulosus R-209以及 S-238）（Fu等人，2024年）。我们收集的农业食品副产品鸽豆根来自中国云南省红河地区。收集到的鸽豆根先在烤箱中烘干，再用研磨机粉碎，最后通过40目筛子过滤。
章节摘录
内生真菌与植物材料
在之前的研究中，我们从鸽豆中分离并鉴定了多种内生真菌（P. chrysogenum L-152、P. polonicum R-461、P. flavigenum P-315、F. acutatum R-441、P. rubens L-150、P. vanluykii R-446、A. tubingensis S-235、T. neorugulosus R-209以及 S-238）（Fu等人，2024年）。我们收集的农业食品副产品鸽豆根来自中国云南省红河地区。这些鸽豆根先在烤箱中烘干，再用研磨机粉碎，之后通过40目筛子过滤。
验证内生真菌产生染料木黄酮的能力
内生真菌已被公认为是高价值天然产物的重要来源，这些天然产物的结构与它们所寄生的植物相同或相似，许多还具有健康益处和药理作用（Jha等人，2023年；Mishra等人，2021年；Venugopalan & Srivastava，2015年）。在之前的研究中，我们从鸽豆中分离出了九种内生真菌，而这九种真菌都具有合成生物活性化合物染料木黄酮的能力（Fu等人，2024年）。
结论
本研究成功开发了一种基于内生真菌P. flavigenum P-315和鸽豆根的原位固态发酵系统，通过前体生物转化来提高具有健康益处的染料木黄酮的产量。在优化条件下（加水量为4?mL/g，pH值为7，温度为30?°C，接种量为8盘/克，发酵时间为72小时），该系统使染料木黄酮的产量相比未经处理的鸽豆根提高了29.13倍，即从326.37?±?50.47?μg/g DW上升到了9506.69?±?494.52?μg/g DW）。
CRediT作者贡献说明
Jin-Xian Fu：撰写——初稿、验证、方法论、研究、正式分析、数据整理。Mo-Nan Wen：撰写——初稿、可视化、方法论、研究。Jiao Jiao：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论、研究、资金获取、概念设计。Qing-Yan Gai：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论、研究、资金获取、概念设计。Yu-Jie Fu：资源提供、资金获取。
未引用参考文献
Gajurel等人，2025年
Sarkar等人，2021年
Stodolak、Starzynska-Janiszewska和Poniewska，2024年
Wu、Zhou、Zhou、Cheng和Wang，2024年
致谢
本研究得到了黑龙江省自然科学基金（编号LH2024C053）、中央高校基本科研业务费（编号BFUKF202608）、雄安新区科技创新计划（编号2025XAGG0057）、国家林业和草原青年英才科技创新计划（编号2020132611）以及111计划（编号B20088）的支持。同时，作者还要感谢液相色谱质谱分析设施提供的帮助。
